电厂发电机失磁保护对策研究

马文英

（国家能源河北龙山发电有限责任公司，河北 邯郸 056400）

失磁保护是电厂发电机运行过程中的常见故障类型。尤其大规模火力发电厂发电机机组励磁系统比较复杂，发生低励或失磁的可能性更高。而随着火力发电机组容量的不断增加，其励磁系统功能同样在持续完善，加之集成智能控制技术的使用，使得火力发电机组的自动化水平显著提升。高度自动化的励磁系统显著提升了火力发电机组自动化控制水平，但其结构非常复杂客观上加大了火力发电机组低励或失磁故障的发生概率。据统计，因失磁造成的发电机故障占据全部故障的60%以上。针对600MW 发电机组应该设置专门的失磁保护。发电机失磁保护的相关判据、闭锁方式、出口方式较多，相应的失磁保护配置方案种类最多，最为复杂。繁杂的失磁保护配置方案影响到发电机机组的运行安全，带来较大的安全隐患。基于此，文中探讨了更加规范的失磁保护配置方案，以供同行参考。

1 失磁保护的主要判据

现阶段最常用的失磁保护主判据包括转子低电压判据Ufd，机端低阻抗判据Z＜、系统低电压判据Um＜三种。转子低电压判据Ufd反映了发电机转子侧的电气量；机端低阻抗判据Z＜反映了发电机定子侧的电气量；系统低电压判据Um＜反映的是发电机系统测的电气量。

1.1 转子低电压判据Ufd

早期集成电路型、整流型保护选用定励磁电压判据，其表达式为：Ufd＜K°Ufd0

而当前的微机保护通常选用变励磁电压判据Ufd(P)，当发电机在有功P 的运行状态下，依照静稳极限需要的励磁电压最小值判断是否失磁。在正常运行状态下，励磁电压值不会小于空载状态下的励磁电压值。变励磁电压判据Ufd(P)的灵敏度很高，可以及时准确地反映低励情况，然而相关整定计算复杂度较高，Ufd反映的是发电机转子侧的电气量，通常为直流量，功率P 反映的是发电机定子侧的电气量，通常为交流量，二者用同一个判据做比较。假如整定计算不合理就可能引发误动作。如Ufd(P)判据整定值过大会引发误动作，整定值K 偏大的原因主要是在进行整定计算时采用的空载励磁电压Ufd0、同步电抗Xd均为设计值，但是设计值往往与实际测量值的差别较大。如某电厂1 号机的空载励磁电压Ufd0、同步电抗Xd设计值分别为160V、1.997，但是实际测量得到的空载励磁电压Ufd0、同步电抗Xd分别为140V、1.68。设计值与实际值之间的误差将导致无功功率较小或进相运行时发电机在Ufd(P)判据落入动作区而发生误动作。这类问题在我国火力发电厂时有发生，导致技术人员对该判据的应用非常谨慎。但可以明确的是，Ufd(P)判据具有很高的灵敏度，且动作非常迅速。只要合理控制和使用其整定计算，在计算过程中考虑空载励磁电压Ufd0、同步电抗Xd等关键参数的影响，在发电机试运行阶段进行调整就可以有效避免误动作，并及时准确地判别失磁保护，有效避免失磁故障的扩大，尤其适合用于励磁调节器稳定性不足的情况。

1.2 低阻抗判据Z＜

低阻抗判据Z＜反映的是发电机机端的感受阻抗，如果感受阻抗在阻抗圆范围内，作出保护动作。失磁保护阻抗圆通常包括异步圆、静稳边界圆以及介于它们之间的苹果圆。发电机一旦出现低励、失磁故障，往往首先经过静稳边界，再进入异步边界。因此，前者比后者更加灵敏。而静稳边界圆包含第一、二象限动作区，如果在进相运行时进相比较深就有一定几率发生误动。静稳边界圆和纵轴存在A、B两各焦点，其中点A 为系统阻抗Xs,点B 为同步阻抗Xd。在进行整定计算时系统阻抗Xs会随机采用最大运行方式、最小运行方式下对应的阻抗值，同步阻抗Xd的取值可能为确保可以进行可靠动作而乘以系数K。如果发电机组不以进相运行作为正常运行状态，那么使用上述整定计算方法保护均不会发生误动作。反之，则需要考虑进相运行的影响，以有效避免误动作。

1.3 系统低电压判据

系统低电压判据Um＜反映了电厂高压侧母线三相同时低电压，主要作用是防止失磁故障导致无功储备短缺，进而造成系统电压崩溃。系统低电压判据Um＜在电厂高压侧母线容量相对较小，与电厂联系较弱或系统无功储备不足的情况下可以可靠动作。而这类情况通常发生于坑口火电厂建设初期。高压侧母线的三相电压下降太多会严重威胁到系统运行的稳定性，因此，必须做到迅速跳闸。当火电成建设完毕后通常会以发电机组的方式运行，在此情况下其中一台发电机失磁一般不会使高压侧母线电压Um降低到整定值以下，系统低电压判据Um＜通常不会动作。基于此，在设计失磁保护逻辑回路时，应该设计为在满足其他判据的情况下，如果不满足系统低电压判据Um＜，则需要经过一段时间后跳闸；如果也满足系统低电压判据Um＜，则迅速跳闸。

2 发电机失磁保护配置方案研究

2.1 失磁保护逻辑回路

本次研究的发电机失磁保护配置方案选用上文所述的三种失磁保护主判据，并采用PT 断线闭锁作为辅助判据，构建更加完善的低励失磁保护方案。失磁保护逻辑回路图如图1 所示。

图1

2.2 失磁保护配置方案的特点

变励磁电压判据Ufd(P)反映的是励磁电压，直观地反映全部的低励、失磁故障；该判据灵敏度最高，动作也最迅速，是本文所述的几个判据中唯一能够精准可靠地反映发电机低励故障的判据。因此，本文研究的失磁保护配置方案采用变励磁电压判据Ufd(P)，通过发信、减出力或切换励磁的方式使励磁恢复正常，它同时也是跳闸的必要条件。发电机失磁保护的三个主判据的灵敏度排列顺序按照降序排列为转子低电压Ufd(P)、阻抗圆Z＜、系统低电压Um＜。考虑到系统低电压Um＜在很多工况下无法可靠地作出动作，因此不应该将其作为跳闸出口必要条件，只将其作为加速跳闸因素。本文研究的失磁保护配置方案将转子低电压判据“与”阻抗圆Z＜判据，经过一定的延时t3 出口跳闸；如果同时满足系统低电压判据Um＜，则反映出无功储备不足，在此情况下，不经过延时t3，而经过较短延时t2 出口跳闸。该方案比较复杂主要用于大型机组以及系统中的关键机组。在实践中，应该尽量简化失磁保护配置方案，如对于和系统联系密切的电厂可以去掉系统低电压Um＜判据，对于系统影响不大的机组可以只采用阻抗圆Z＜判据。

2.3 与其他失磁保护配置方案的对比分析

现阶段的失磁保护配置方案较多，不少于20 种，但这些方案的主判据基本上都采用上文所述的几种判据，它们的区别主要在于失磁保护逻辑组合与闭锁方式。除了本文研究的失磁保护配置方案之外，现阶段广泛应用于大型火电发电机组的失磁保护配置方案还有静稳边界圆发信、异步圆跳闸、低励失磁保护等。低励失磁保护方案主要考虑到转子低电压判据灵敏度太高，容易产生误动。静稳圆与异步圆的方案原理基本一致，反映的都是机端感受阻抗，只不过静稳边界圆相对异步圆的灵敏度更高，其动作速度也更快。假如采用静稳边界圆发信再到减出力或采取措施就很难让励磁恢复正常，停机事故难以避免。此外，静稳圆、异步圆均采用定子侧判据，可靠性不足。而转子侧判据是最直接的，任何低励失磁故障均先来自转子侧再影响定子侧最后波及系统侧。

3 结语

综上所述，失磁保护的相关整定计算要求高，整定计算不当就可能引发误动作，特别是转子低电压判据，失磁保护构成及出口不规范将影响发电机机组安全运行。因此，本方案适用于大型机组、系统中的核心机组，而且在实践中并不是所有判据都必须采用。